[论文解读] Can Blockchain Protect Internet-of-Things?

Hiroshi Watanabe|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的数据链层，将物理芯片标识与区块链相结合，通过将唯一的物理设备标识符绑定到逻辑地址，从而增强物联网安全，防止欺骗行为并实现强认证。该解决方案展示了硬件级唯一性与区块链不可篡改性如何共同应对物联网的核心信任与完整性挑战。

ABSTRACT

In the Internet-of-Things, the number of connected devices is expected to be extremely huge, i.e., more than a couple of ten billion. It is however well-known that the security for the Internet-of-Things is still open problem. In particular, it is difficult to certify the identification of connected devices and to prevent the illegal spoofing. It is because the conventional security technologies have advanced for mainly protecting logical network and not for physical network like the Internet-of-Things. In order to protect the Internet-of-Things with advanced security technologies, we propose a new concept (datachain layer) which is a well-designed combination of physical chip identification and blockchain. With a proposed solution of the physical chip identification, the physical addresses of connected devices are uniquely connected to the logical addresses to be protected by blockchain.

研究动机与目标

• 解决快速扩展的物联网（IoT）生态系统中设备认证与欺骗这一关键挑战。
• 克服传统安全协议在物理物联网设备环境中存在的局限性，这些协议原本是为逻辑网络设计的。
• 提出一种混合架构，结合物理硬件标识与区块链技术，实现在物联网系统中的端到端信任。
• 通过密码学绑定，实现物理设备身份与逻辑网络地址之间的唯一且可验证映射。

提出的方法

• 引入一种名为“数据链层”的新抽象层，将物理芯片标识符与基于区块链的逻辑寻址统一起来。
• 使用物理不可克隆函数（PUFs）或类似基于硬件的唯一标识符，将每个物联网设备绑定到唯一的物理地址。
• 通过密码学哈希函数将每个设备的物理身份映射到其逻辑网络地址，确保完整性与不可否认性。
• 将绑定信息存储在许可制或公共区块链上，以确保设备身份的不可篡改性与可审计性。
• 使用区块链交易记录并验证设备注册、访问及身份变更事件，实现防篡改的记录方式。
• 设计一种系统，使得任何试图欺骗设备身份的行为均可通过区块链上物理与逻辑标识的不匹配而被检测到。

实验结果

研究问题

• RQ1 物理芯片识别与区块链技术的结合是否能有效防止大规模物联网部署中的设备欺骗？
• RQ2 如何通过密码学方法将物理设备身份与逻辑网络身份绑定，以确保真实性和完整性？
• RQ3 在物联网系统中，需要何种架构层来整合硬件级唯一性与基于区块链的信任机制？
• RQ4 与传统认证方法相比，所提出的数据链层在多大程度上提升了物联网网络的安全性？

主要发现

• 所提出的数据链层成功利用密码学技术将物理设备身份与逻辑网络地址绑定，实现了强认证。
• 硬件基于的唯一标识符与区块链的结合，确保了欺骗行为可通过身份记录的不匹配被检测到。
• 该系统提供了防篡改、不可更改的设备身份与访问事件日志，增强了可审计性与问责性。
• 由于物理与逻辑身份的双重验证机制，该解决方案对中间人攻击和冒名顶替等常见物联网威胁具有强韧性。